Lazerlerde Çizgi Genişliğinin Tanımı

Bir lazerin, özellikle de tek frekanslı bir lazerin çizgi genişliği, spektrumunun genişliğini ifade eder (tipik olarak yarı maksimumda tam genişlik, FWHM). Daha doğrusu, frekans, dalga sayısı veya dalga boyu cinsinden ifade edilen, yayılan elektrik alanı güç spektral yoğunluğunun genişliğidir. Bir lazerin çizgi genişliği zamansal tutarlılıkla yakından ilişkilidir ve tutarlılık süresi ve tutarlılık uzunluğu ile karakterize edilir. Faz sınırsız bir kaymaya maruz kalırsa, faz gürültüsü hat genişliğine katkıda bulunur; serbest osilatörlerde durum budur. (Çok küçük bir faz aralığıyla sınırlı faz dalgalanmaları sıfır hat genişliği ve bir miktar gürültü yan bantları üretir.) Rezonans boşluğu uzunluğundaki kaymalar da hat genişliğine katkıda bulunur ve bunu ölçüm süresine bağlı hale getirir. Bu, tek başına çizgi genişliğinin veya hatta istenen spektral şeklin (çizgi biçimi) lazer spektrumu hakkında tam bilgi sağlayamayacağını gösterir.

II. Lazer Çizgi Genişliği Ölçümü

Lazer çizgi genişliğini ölçmek için birçok teknik kullanılabilir:

1. Çizgi genişliği nispeten büyük olduğunda (>10 GHz, çoklu modlar çoklu lazer rezonans boşluklarında salındığında), bir kırınım ızgarası kullanan geleneksel bir spektrometre kullanılarak ölçülebilir. Ancak bu yöntemle yüksek frekans çözünürlüğü elde etmek zordur.

2. Başka bir yöntem, frekans dalgalanmalarını yoğunluk dalgalanmalarına dönüştürmek için bir frekans ayırıcı kullanmaktır. Ayırıcı, dengesiz bir interferometre veya yüksek hassasiyetli bir referans boşluğu olabilir. Bu ölçüm yönteminin çözünürlüğü de sınırlıdır.

3. Tek frekanslı lazerler tipik olarak, ofset ve gecikmeden sonra lazer çıkışı ile kendi frekansı arasındaki atımı kaydeden bir öz-heterodin yöntemi kullanır.

4. Birkaç yüz hertzlik çizgi genişlikleri için geleneksel kendi kendine heterodin teknikleri, büyük bir gecikme uzunluğu gerektirdiğinden pratik değildir. Bu uzunluğu uzatmak için döngüsel bir fiber döngü ve yerleşik bir fiber amplifikatör kullanılabilir.

5. Referans lazerin gürültüsünün test lazerinden çok daha düşük olduğu veya performans özelliklerinin benzer olduğu iki bağımsız lazerin atımlarının kaydedilmesiyle çok yüksek çözünürlük elde edilebilir. Faz kilitli bir döngü veya matematiksel kayıtlara dayalı anlık frekans farkının hesaplanması kullanılabilir. Bu yöntem çok basit ve kararlıdır ancak başka bir lazer gerektirir (test lazerinin frekansına yakın çalışan). Ölçülen çizgi genişliği geniş bir spektral aralık gerektiriyorsa, frekans tarağı çok uygundur.

Optik frekans ölçümleri genellikle bir noktada belirli bir frekans (veya zaman) referansı gerektirir. Dar çizgi genişlikli lazerlerde, yeterince doğru bir referans sağlamak için yalnızca tek bir referans ışınına ihtiyaç vardır. Kendi kendine heterodin teknikleri, test kurulumunun kendisine yeterince uzun bir zaman gecikmesi uygulayarak bir frekans referansı elde eder; ideal olarak başlangıç ​​ışın ile kendi gecikmiş ışın arasındaki zamansal tutarlılıktan kaçınır. Bu nedenle genellikle uzun optik fiberler kullanılır. Ancak stabil dalgalanmalar ve akustik etkiler nedeniyle uzun fiberler ilave faz gürültüsüne neden olur.

1/f frekans gürültüsü mevcut olduğunda, hat genişliği tek başına faz hatasını tam olarak açıklayamaz. Daha iyi bir yaklaşım, fazın Fourier spektrumunu veya anlık frekans dalgalanmalarını ölçmek ve daha sonra bunu güç spektral yoğunluğunu kullanarak karakterize etmektir; gürültü performans göstergelerine başvurulabilir. 1/f gürültü (veya diğer düşük frekanslı gürültünün gürültü spektrumu) bazı ölçüm sorunlarına neden olabilir.

III. Lazer Çizgi Genişliğini En Aza İndirme

Lazer çizgi genişliği doğrudan lazer tipiyle ilgilidir. Lazer tasarımının optimize edilmesi ve dış gürültü etkilerinin bastırılmasıyla bu durum en aza indirilebilir. İlk adım, sonraki ölçümleri etkileyeceği için kuantum gürültüsünün mü yoksa klasik gürültünün mü baskın olduğunu belirlemektir.

Boşluk içi güç yüksek olduğunda, rezonans boşluğu kaybı düşük olduğunda ve rezonans boşluğu gidiş-dönüş süresi uzun olduğunda, lazerin kuantum gürültüsünün (esas olarak kendiliğinden emisyon gürültüsü) küçük bir etkisi vardır. Klasik gürültü, kompakt, kısa bir lazer rezonatör kullanılarak azaltılabilen mekanik dalgalanmalardan kaynaklanabilir. Bununla birlikte, uzunluk dalgalanmaları bazen daha kısa rezonatörlerde bile daha güçlü bir etkiye sahip olabilir. Uygun mekanik tasarım, lazer rezonatörü ile harici radyasyonlar arasındaki bağlantıyı azaltabilir ve ayrıca termal sürüklenme etkilerini en aza indirebilir. Kazanç ortamında, pompa gücü dalgalanmalarından kaynaklanan termal dalgalanmalar da mevcuttur. Daha iyi gürültü performansı için diğer aktif stabilizasyon cihazlarına ihtiyaç vardır ancak başlangıçta pratik pasif yöntemler tercih edilir. Tek frekanslı katı hal lazerlerin ve fiber lazerlerin çizgi genişlikleri 1-2 Hz aralığında, hatta bazen 1 kHz'in altındadır. Aktif stabilizasyon yöntemleri 1 kHz'in altındaki hat genişliklerine ulaşabilir. Lazer diyotların çizgi genişlikleri tipik olarak MHz aralığındadır, ancak örneğin harici boşluklu diyot lazerlerde, özellikle optik geri beslemeli ve yüksek hassasiyetli referans boşluklarına sahip olanlarda kHz'e düşürülebilir.

IV. Dar Çizgi Genişliklerinden Kaynaklanan Sorunlar

Bazı durumlarda lazer kaynağından çok dar bir ışın genişliği gerekli değildir:

1. Tutarlılık uzunluğu uzun olduğunda, tutarlılık etkileri (zayıf parazitik yansımalar nedeniyle) ışın şeklini bozabilir. 1. Lazer projeksiyon ekranlarında benek efektleri yüzey kalitesini etkileyebilir.

2. Işık aktif veya pasif fiber optiklerde yayıldığında, dar hat genişlikleri uyarılmış Brillouin saçılımından dolayı sorunlara neden olabilir. Bu gibi durumlarda, örneğin akım modülasyonunu kullanarak bir lazer diyotun veya optik modülatörün geçici frekansını hızlı bir şekilde değiştirerek hat genişliğini arttırmak gerekir. Çizgi genişliği aynı zamanda optik geçişlerin (örneğin, lazer geçişleri veya bazı soğurma özellikleri) genişliğini tanımlamak için de kullanılır. Durağan tek bir atom veya iyonun geçişlerinde çizgi genişliği, üst enerji durumunun ömrüyle (daha doğrusu üst ve alt enerji durumları arasındaki yaşam süresi) ilişkilidir ve doğal çizgi genişliği olarak adlandırılır. Atomların veya iyonların hareketi (bkz. Doppler genişlemesi) veya etkileşimi, gazlardaki basıncın genişlemesi veya katı ortamdaki fonon etkileşimleri gibi çizgi genişliğini genişletebilir. Farklı atomlar veya iyonlar farklı şekilde etkilenirse, düzgün olmayan genişleme meydana gelebilir.